CN103066955B - 一种用于绝缘硅工艺的小尺寸、快速翻转施密特触发器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于绝缘硅工艺的小尺寸、快速翻转施密特触发器电路，它通过采用PMOS/NMOS体控制电路来改变阈值电压，使由高电平到低电平的输入跳变和由低电平到高电平的输入跳变具有不同的翻转阈值，从而实现施密特触发器功能。通过采用PMOS/NMOS体控制电路，减小了上升和下降的时间，同时也减小了上拉路径上和下拉路径上的晶体管数目，使电路比传统结构翻转速度快、尺寸小。

Description

一种用于绝缘硅工艺的小尺寸、快速翻转施密特触发器电路

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别涉及一种用于绝缘硅工艺的小尺寸、快速翻转施密特触发器电路。

背景技术

施密特触发器在数字电路和模拟电路中都有着广泛的应用，特别是在抗噪声和波形整形方面，施密特触发器有着不可替代的作用。施密特触发器在其DC特性上表现出双翻转阈值特性——对不同的翻转方向，有不同的翻转阈值：当输入信号由低电平变为高电平时，翻转阈值为V+；当输入信号由高电平变为低电平时，翻转阈值为V-。当施密特触发器的输入低电平信号耦合有噪声时，只要信号电平和噪声电平的叠加量不超过V+，施密特触发器的输出状态就不会发生改变；输入高电平信号耦合有噪声时，只要信号电平和噪声电平的叠加量不低于V-，施密特触发器的输出状态也不会发生改变。这样施密特触发器就实现了对噪声信号的过滤，如图1中上方的输入输出波形所示。当施密特触发器的输入信号为三角波时，由于其双翻转阈值特性，输出信号变为方波，这样就实现了由三角波到方波的信号整型，如图1中下方的输入输出波形所示。在数字电路中，如果某一信号在高低电平之间的跳变过于缓慢，使用施密特触发器对其整形可以得到陡峭的跳变，从而得到清晰的数字电平信号。

施密特触发器的传统实现电路如图2所示，输入信号由低电平到高电平跳变会提高N型MOS管NM2的源端电压；输入信号由高电平到低电平跳变会降低P型MOS管PM2的源端电压，从而实现了双翻转阈值。由于此施密特触发器上拉路径和下拉路径上存在两个晶体管串联，所以其速度较慢，同时占用了较多的芯片面积。

发明内容

本发明通过采用PMOS/NMOS体控制电路来改变阈值电压，使由高电平到低电平的输入跳变和由低电平到高电平的输入跳变具有不同的翻转阈值，从而实现施密特触发器功能。通过采用PMOS/NMOS体控制电路，减小了上升和下降的时间，同时也减小了上拉路径上和下拉路径上的晶体管数目，使电路比传统结构翻转速度快、尺寸小。其原理如下：

晶体管的阈值电压为V_T，当源体电压V_SB≠0时，则有：

$V_T=V_{T0}+\mathrm{\γ}(\sqrt{\left|2{\mathrm{\φ}}_F\right|+\left|V_{\mathrm{SB}}\right|}-\sqrt{\left|2{\mathrm{\φ}}_F\right|})$

其中为体阈值因子；V_T0为V_SB＝0时的阈值电压(NMOS晶体管的V_T0为V_Tn0，PNMOS晶体管的V_T0为V_Tp0)；φ_F为衬底半导体材料的费米势；ε_Si为Si的介电常数；N_Sub为衬底掺杂浓度；C_ox为单位面积的栅氧电容。当体区电压变化时，晶体管的阈值电压也将跟随变化。绝缘硅工艺使用全介质隔离，电路器件制作在硅岛中。相对使用共同的衬底或阱区的体硅晶体管，绝缘硅可以方便的控制晶体管的体区电压。

本发明的施密特触发器电路包括两个PMOS晶体管11和13，两个NMOS晶体管10和12，以及PMOS/NMOS体控制电路14，如图3所示。所述PMOS晶体管11的栅极接输入端，源极接电源VDD，漏极接级间公共节点C；所述PMOS晶体管13栅极接级间公共节点C，源极接电源VDD，漏极接输出端；所述NMOS晶体管10的栅极接输入端，源极接地，漏极级间公共接节点C；所述NMOS晶体管12的栅极接级间公共节点C，源极接地，漏极接输出端；所述PMOS晶体管11的体区电平和NMOS晶体管10的体区电平由PMOS/NMOS体控制电路14控制。

PMOS/NMOS体控制电路14的功能是：当输入信号为低电平时令NMOS晶体管10的体区B的电平为0，输入信号为高电平时将NMOS晶体管10的体区B的电平V_n上拉至V_D；当输入信号为高电平时令PMOS晶体管11的体区A的电平为V_DD，输入信号为低电平时将PMOS晶体管11的体区A的电平V_p下拉至V_DD-V_D，V_D为晶体管的死区电压。

当输入信号为低电平时，C点的电压为高电平V_DD，此时NMOS晶体管10的体区B的电平为0，NMOS晶体管10的阈值电压依然为V_Tn0。PMOS晶体管11体区A的电平下拉至V_DD-V_D，PMOS晶体管11的阈值电压变小至V_Tp。此时电路的翻转阈值为V+，

$V+=\frac{V_{\mathrm{DD}}-\left|V_{\mathrm{Tp}}\right|+\mathrm{\β}{V}_{\mathrm{Tn}0}}{\mathrm{\β}+1},$ 其中 $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{W_n/L_n}{W_p/L_p}}$

当输入信号为高电平时，C点的电压为低电平0，此时PMOS晶体管11的体区A的电平为V_DD，PMOS晶体管11的阈值电压依然为V_Tp0。NMOS晶体管10体区B的电平上拉至V_D，NMOS晶体管10的阈值电压变小为V_Tn。此时电路的翻转阈值为V-，

$V-=\frac{V_{\mathrm{DD}}-\left|V_{\mathrm{Tp}0}\right|+\mathrm{\β}{V}_{\mathrm{Tn}}}{\mathrm{\β}+1}.$

这样施密特触发器的输入由高电平到低电平转换和由低电平到高电平转换时，具有不同的转换阈值V+，V-，其电路的抗干扰范围为：

$(V+)-(V-)=\frac{\left(\right|V_{\mathrm{Tp}0}|-|V_{\mathrm{Tp}}\left|\right)+\mathrm{\β}(V_{\mathrm{Tn}0}-V_{\mathrm{Tn}})}{\mathrm{\β}+1}.$

本发明的施密特触发器电路与传统典型施密特触发器电路相比，其优点是：由于PMOS/NMOS体控制电路的存在，在对节点C上拉时，PMOS晶体管11体区A的电平下降，在对节点C下拉时，NMOS晶体管10体区B的电平上升，这将减少其上升和下降的时间。同时上拉路径上只有一个PMOS晶体管；下拉路径上也只有一个NMOS晶体管，因此，本发明的施密特触发器电路翻转速度较快、尺寸较小。

附图说明

图1是施密特触发器输入输出波形图。

图2是传统施密特触发器的一种典型实现电路。

图3是本发明施密特触发器电路。

图4是本发明的施密特触发器电路的一个具体实施例示意图。

具体实施方式

下面通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，请参阅图4。本领域的技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易的了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用。本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图4给出了一个应用本发明的施密特触发器电路的一个具体实施实例。电路包括两个PMOS晶体管11和13，两个NMOS晶体管10和12，以及由NMOS晶体管23和24、PMOS晶体管21和22、二极管25和27以及电阻26组成的PMOS/NMOS体控制电路。所述PMOS晶体管11的栅极接输入端，源极接电源VDD，漏极接级间公共节点C；所述PMOS晶体管13栅极接级间公共节点C，源极接电源VDD，漏极接输出端；所述NMOS晶体管10的栅极接输入端，源极接地，漏极接级间公共节点C；所述NMOS晶体管12的栅极接级间公共节点C，源极接地，漏极接输出端；所述PMOS晶体管11的体区电平连接PMOS晶体管21的漏极和PMOS晶体管22的源极；所述NMOS晶体管10的体区电平连接NMOS晶体管24的漏极和NMOS晶体管23的源极；所述NMOS晶体管23的栅极与PMOS晶体管22的栅级已及输出端相连；所述NMOS晶体管24的栅极与PMOS晶体管21的栅级相连；所述NMOS晶体管24的源极与地相连，PMOS晶体管21的源极与电源VDD相连；所述二极管25的阳极与电源VDD相连，阴极与电阻26的一端以及PMOS晶体管22的漏极相连；所述二极管27的阴极与地相连，阳极与电阻26的另一端以及NMOS晶体管23的漏极相连。

节点E电平为V_DD-V_D，节点F电平为V_D。当输入信号为低电平时，节点C电压为VDD，输出节点D的电压为0，此时PMOS晶体管21关断，PMOS晶体管22开启，NMOS晶体管23关断，NMOS晶体管24开启；这时节点A的电平等于节点E(V_DD-V_D)，节点B的电平等于0，从而可以得到较高的翻转阈值电压V+。当输入信号为高电平时，节点C电压为0，输出节点D的电压为VDD，此时PMOS晶体管21开启，PMOS晶体管22关断，NMOS晶体管23开启，NMOS晶体管24关断；这时节点A的电平等于VDD，节点B的电平等于节点F(V_D)，可以得到较低的翻转阈值电压V-。双阈值施密特触发器功能得已实现。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。熟悉此领域的技术人员皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效、修饰或改变，仍然由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种用于绝缘硅工艺的小尺寸、快速翻转施密特触发器电路，包括：NMOS晶体管10、NMOS晶体管12、PMOS晶体管11、晶体管PMOS13、以及PMOS/NMOS体控制电路14；NMOS晶体管23、NMOS晶体管24、PMOS晶体管21、PMOS晶体管22、二极管25、二极管27以及电阻26组成所述PMOS/NMOS体控制电路14；其中，

所述PMOS晶体管11的栅极接输入端，源极接电源，漏极接级间公共节点；所述PMOS晶体管13栅极接所述级间公共节点，源极接电源，漏极接输出端；所述NMOS晶体管10的栅极接输入端，源极接地，漏极接所述级间公共接节点；所述NMOS晶体管12的栅极接所述级间公共节点，源极接地，漏极接输出端；所述PMOS晶体管11的体区电平连接PMOS晶体管21的漏极和PMOS晶体管22的源极；所述NMOS晶体管10的体区电平连接NMOS晶体管24的漏极和NMOS晶体管23的源极；所述NMOS晶体管23的栅极与PMOS晶体管22的栅级以及输出端相连；所述NMOS晶体管24的栅极与PMOS晶体管21的栅级以及所述级间公共接节点相连；所述NMOS晶体管24的源极与地相连，PMOS晶体管21的源极与电源相连；所述二极管25的阳极与电源相连，阴极与电阻26的一端以及PMOS晶体管22的漏极相连；所述二极管27的阴极与地相连，阳极与电阻26的另一端以及NMOS晶体管23的漏极相连；

所述PMOS晶体管11的体区电平和NMOS晶体管10的体区电平由所述PMOS/NMOS体控制电路14控制；PMOS/NMOS体控制电路14改变所述PMOS晶体管11及所述NMOS晶体管10的阈值电压，使由高电平到低电平的输入跳变和由低电平到高电平的输入跳变具有不同的翻转阈值，从而实现施密特触发器功能。

2.如权利要求1所述的小尺寸、快速翻转施密特触发器电路，其特征在于:PMOS/NMOS体控制电路14在施密特触发器的输入为低电平时，使NMOS晶体管10的体区电压为0，PMOS晶体管11的体区电压为VDD-Vd，Vd为晶体管死区电压；在施密特触发器的输入为高电平时，使NMOS晶体管10的体区电压为Vd，PMOS晶体管11的体区电压为VDD。